Механизмы движения хромосом при делении клетки

Курсовая работа

Механизмы движения хромосом при делении клетки

Оглавление

Введение

. Основные механизмы клеточного деления

. Микротрубочки, образование веретена деления и метафаза

.1 Микротрубочки

.2 Кинетохоры

.3 Правильное присоединение микротрубочек к кинетохорам

. Использование особенностей механизма деления клетки в медицине

.1 Обзор современных противоопухолевых препаратов

.2 Принципиально новый способ нарушения клеточного деления

Заключение

Список литературы

Введение

Одной из самых важных проблем в биологии является проблема размножения и роста живых организмов. Несмотря на то, что задача эта не нова, до сих пор, даже с современными приборами мы не можем воспроизвести этот процесс.

Клетка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов. Все действия нашего организма обусловлены специализированными клетками. В многоклеточном организме клетка является единицей функционирования и развития. Кроме того, клетка является основой всех реакций организма. Все свойства и функции организма выполняются именно клетками: их структурой, функциями, протекающими в них процессами роста, развития, размножения и гибели. Результатом размножения клеток и выработкой ими разнообразных продуктов является рост организма и увеличение его массы; кроме того, именно поражение клеток или изменение из свойств является основой для развития заболеваний.

Понимание молекулярных основ структуры и функций клеток разных тканей и структур необходимо не только в науке, но и в медицине.

1. Основные механизмы клеточного деления

Согласно клеточной теории, увеличение числа клеток происходит только за счет деления материнской клетки, предварительно удвоившей свой генетический материал. После удвоения клетки обе дочерние клетки должны иметь тот же набор хромосом, что и у материнской клетки. Если просто удвоить все компоненты и разделить пополам, полученные клетки с большой вероятностью окажутся нежизнеспособными. Поэтому в природе существуют специальные способы деления: митоз и мейоз. Главное их различие в количестве хромосом в дочерних клетках после деления. В мейозе из одной клетки получаются четыре, в каждой из которых в два раза меньше хромосом, чем в материнской.

Митоз - вид клеточного деления, при котором из одной клетки образуются две идентичные дочерние клетки.

В клетках млекопитающих митоз длится примерно 30-60 минут. За это время клетка проходят четыре стадии, в процессе которых происходит сегрегация генетического материала:

.        Метафаза.. Формирование экваториальной пластинки. Беспорядочно расположенные хромосомы начинают двигаться и выстраиваются в одной плоскости на равном расстоянии от полюсов. Лежащие в одной плоскости центромеры вместе с хромосомами образуют экваториальную пластинку..      Центромеры, соединяющие пары хроматид, делятся, после чего сестринские хромосомы полностью разъединяются.

.        Анафаза. Под действием нитей веретена деления хромосомы движутся (скорость может достигать 0,5 - 2 мкм/мин) к противоположным полюсам.

.        Телофаза.. Деконденсация хроматина. Хромосомы, не меняя ориентации (буквой V, направленной к полюсу), начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме..         Деление клетки вдоль плоскости, в которой находилась экваториальная пластинка..         Разрушение веретена деления.      Формирование ядерной мембраны

2. Микротрубочки, образование веретена деления и метафаза

метафаза клетка противоопухолевый микротрубочка

2.1 Микротрубочки

В ходе митоза в клетке работает молекулярная машина, называемая митотическим веретеном (рис. 1). Его задачей является распределение хромосом по дочерним клеткам. Веретено состоит из двух центросом, которых называют клеточными центрами, и микротрубочек.

Рисунок 1 - Схема веретена деления: 1 - хромосомы; 2 - полюса веретена, центросомы; 3 - межполюсные микротрубочки; 4 - кинетохорные микротрубочки; 5 - астральные микротрубочки

Микротрубочки бывают полюсные, кинетохорные и астральные. Полюсные отвечают за раздвижение центросом, кинетохорные прицепляются к хромосомам и двигают их, а астральные - прикрепляются к внутренней поверхности клетки и фиксируют полюса деления. Именно микротрубочки отвечают за движение хромосом. Рассмотрим их строение подробнее.

Каждая микротрубочка представляет собой полый цилиндр с внешним диаметром 25 нм, внутренним 15 нм, и длиной до нескольких микрометров. Основной их составляющей является тубулин. В клетке он находится в форме димера, состоящего из двух форм - α- и β-тубулина. Становясь друг на друга, молекулы тубулина образуют протофиламент, а 13 протофиламентов, соединяясь боковыми сторонами, образуют уже микротрубочку (это не значит, что при образовании микротрубочки сначала образуются протофиламенты, которые потом сцепляются боковыми сторонами) (рис. 2, А).

Рисунок 2 - Строение и динамика микротрубочек: А. Димер тубулина - составляющая часть протофиламента в микротрубочке. Б. Электронные микрофотографии и условные изображения концов растущей и деполимеризующейся микротрубочки

Микротрубочка может полимеризоваться, т. е. расти, когда к ней присоединяются отдельные димеры, они присоединяются обратимо. В обычных условиях этот процесс идет непрерывно, если тубулина в растворе много; в итоге трубочка постепенно растет, несмотря на отсоединение.

Средняя скорость роста микротрубочки зависит от концентрации тубулина в растворе. Из-за полярности молекулы тубулина, сама микротрубочка является полярной: конец, заканчивающийся β-тубулином, полимеризуется быстрее и называется плюс-концом, соответственно второй конец заканчивается α-тубулином и называется минус-концом; минус конец присоединяется клеточному центру, а плюс-конец - хромосоме.

Полимеризоваться может только тубулин, связанный с молекулой гуанозинтрифосфата (ГТФ). Однако, находясь в микротрубочке, ГТФ постепенно совершает гидролиз до гуанозиндифосфата (ГДФ). Поэтому, в то время, когда почти вся микротрубочка состоит из ГДФ-тубулина, но на плюс-конце находится «шапочка» из ГТФ-тубулина. Поскольку во время гидролиза выделяется энергия и естественным состоянием ГДФ-тубулина является изогнутый протофиламент, отсутствие такой «шапочки» привело бы микротрубочку к катастрофической деполимеризации («растрескиванию» микротрубочки) (рис. 2, Б). Как показывают эксперименты, для стабильности микротрубочки необходимы как минимум два слоя ГТФ-тубулина.

Достаточно долго было известно, что в лабораторных условиях, деполимеризация микротрубочки может производить работу (Коуэ и др., 1991). Однако в то время еще невозможно было полностью исключить влияние АТФ-зависимых двигателей на движение хромосом.

Чтобы проверить, может ли только деполимеризация тубулина производить механическую работу, достаточную для перемещения хромосом, в хорошо изученной дрожжевой клетке, у которой известен геном и три моторных белка, которые могут двигать хромосомы, удалили все гены, отвечающие за эти белки. Все такие клетки оказались жизнеспособными и способными к делению, которое, однако, проходило медленнее и с большим количеством ошибок. Таким образом, было показано, что моторные белки не необходимы для деления и основную работу по перемещению хромосом во время митоза совершают микротрубочки.

Исследования в лабораторных условиях позволили измерить силу, производимую изгибающимися протофиламентами (Грищук и др., 2005).

Поскольку такие силы слишком малы, использовалось специальное устройство, называемое лазерным пинцетом. Он создает сильно сфокусированный лазерный луч, генерируя таким образом неоднородное электромагнитное поле. Частицы, попадающие в такое поле, стремятся попасть в центр. Причем, чем дальше частица от центра, тем большая на нее действует сила.

Рисунок 3. Схема эксперимента, использованная для измерения силы, развиваемой микротрубочкой [11]

Чтобы измерить силу деполимеризации, к стенке искусственно созданной микротрубочки (с ГТФ-«шапочкой» на конце) была присоединена бусинка (рис. 3). Затем с помощью другого лазера был отрезан конец микротрубочки, после чего трубочка начала деполимеризоваться. Когда изгибающиеся концы протофиламентов достигли бусинки, она испытала краткий рывок, который был зафиксирован с помощью квадрантного детектора (рис.4).

Рисунок 4 - Вид получаемых данных

Эти эксперименты подтвердили искривление протофиламентов на конце сокращающейся микротрубочки и позволили измерить силу, развиваемую протофиламентами. В ходе деполимеризации микротрубочки развивают силы, достаточные для движения хромосом. Измеренная сила равна 30-60 пН на одну микротрубочку [9].

Микротрубочки являются эффективными двигателями: они превращают в работу по перемещению шарика 80-90% энергии, потраченной на ее создание.

.2 Кинетохоры

Первая теоретическая модель, объясняющая сцепку хромосомы и укорачивающейся микротрубочки была основана на «рукаве», который окружает микротрубочку около плюс-конца (Хилл, 1985). Предполагалось, что микротрубочка присоединяется к «рукаву», расположенному во внешних слоях кинетохора, а полимеризуется и деполимеризуется в более глубоких слоях; укорачивание микротрубочки компенсируется ее термической диффузией. Однако эта теория имеет некоторые минусы: она исключает возможность уширения деполимеризующегося конца и не может выдержать существенные встречные силы. [3]

Вторая теория заключалась в том, что движение кинетохора вдоль микротрубочки вызвано изгибанием протофиламентов тубулина (Кошланд и др. 1988). Это подразумевало наличие некоего «кольца», которое опускаясь вниз во время деполимеризации, тянуло бы за собой хромосомы.

Рисунок 5 - Кольца и видимые границы микротрубочек[4]

Недавно в дрожжевых клетках были обнаружены белковые комплексы Dam1, которые могут формировать кольца вокруг микротрубочек. Дополнительная работа с лазерными пинцетами показала, что присоединенные к концу микротрубочки бусинки, покрытые комплексом Dam1, движутся в направлении полимеризации вместе с растущим концом (Асбери и др., 2006). А когда микротрубочка начинает деполимеризоваться, бусинки также следуют за сокращающимся концом. Такой механизм присоединения требует высокой прочности соединений со стенкой микротрубочки для поддержания стабильности, что понижает скорость движения и КПД механизма (80-90%).

Рисунок 6 - Наличие фибрилл в делящихся клетках млекопитающих

Рисунок 7 - Усредненная форма протофиламентов[3]

Исследования показали, что комплекс Dam1 успешно справляется со сцепкой хромосом и микротрубочек в почкующихся дрожжах, Однако в других организмах такой структуры не было обнаружено. Кроме того в экспериментах в естественных условиях наблюдается отклонение степени искривления протофиламентов от теоретического значения. Это показывает, что в реальных условиях действует другой механизм сцепки хромосомы и микротрубочки. Поскольку форма протофиламентов, прицепленных к грузу, более пологая, чем у свободно деполимеризующихся, логично предположить, что новый механизм воздействует на конец протофиламента. После тщательного изучения микротрубочек в клетках млекопитающих были обнаружены прицепленные к хромосомам фибриллы, на концах которых находятся центры, которые могут связываться с микротрубочками. Эти фибриллы имеют диаметр 2-4 нм и длину 50-150 нм [7]. Искривляющиеся протофиламенты тянут за фибриллы и заставляют двигаться хромосомы. Такой способ сцепки имеет КПД близкий к 100%.

.3 Правильное присоединение микротрубочек к кинетохорам

Энергия деполимеризации микротрубочки приведет к движению хромосом только при условии правильного присоединения микротрубочек и кинетохоров: все левые микротрубочки присоединяются к левому кинетохору, а все правые - к правому. Если бы микротрубочки присоединялись к кинетохору случайным образом, то вероятность правильного закрепления была бы чрезвычайно мала (в клетках человека правильно делилась бы одна клетка из ), и получившиеся дочерние клетки погибали бы. Но известно, что неправильно делится очень малая часть клеток, следовательно, в клетке работает некий механизм, позволяющий определить, правильность присоединения.

Интересной теорией является наличие эластичного элемента (пружины) между кинетохорами и возможность присоединения нескольких микротрубочек к одному кинетохору (рис. 8).

Рисунок 8 Модель эластичного элемента [5]

Тогда правильно присоединившиеся микротрубочки будут растягивать пружину, а неправильно присоединившиеся - сжимать («Пружина» может минимально сжаться до 640 нм, максимально растянуться - до 1400 нм [5]). Получается должен существовать механизм, определяющий степень растяжения. Такой механизм был открыт в 1998 году (Бишофф, Дж. Р. и др.) белок Aurora B киназа, концентрация которого максимальна в центре пружины и спадает к краям (М. Лэмпсон, 2009). Действие этого белка заключается в ослаблении связи фибриллы и микротрубочки. Правильно закрепившая микротрубочка начинает тянуть кинетохор по направлению к своей центросоме, уменьшая воздействие белка Aurora B киназа и усиливая связь с сайтом, неправильно закрепившиеся микротрубочки, наоборот, попадают в зону с большей концентрацией и отсоединяются. Также эта теория предполагает в качестве модели строения кинетохора гибкую сетку достаточно слабо связанных друг с другом сайтов. После правильного присоединения всех микротрубочек, кинетохоры начинают растягивать пружину и разрывают ее.

Такое строение центромеры позволяет совершать разделение хромосом без ошибок.

3. Использование особенностей механизма деления клетки в медицине

Основным применением теории механизма деления клеток является остановка неконтролируемого деления клеток - рака.

Среди химиотерапевтических препаратов выделяют следующие группы:

·        Препараты, действующие на все фазы клеточного цикла.

·        Препараты, действующие на определенные фазы клеточного цикла

·        Препараты, обладающие иным механизмом действия

По механизмам действия также выделяют несколько групп препаратов. Их классификация не имеет жесткой структуры и связана с особенностями воздействия препарата на клетку:

Алкилирующие агенты. Взаимодействуя с ДНК, эти препараты препятствуют процессам считывания информации и репликации, что приводит к гибели клетки. Алкилирующие агенты особенно эффективны против делящихся клеток.

Антибиотики. Часть антибиотиков обладает противоопухолевой активностью, воздействуя на клетку в разные фазы цикла, поэтому все они имеют разные механизмы воздействия на работу клетки.

Антиметаболиты. Механизм их действия связан с блокированием естественных метаболических процессов в клетке.

Антрациклины. Взаимодействуют с ДНК. Считается, что в результате их действия образуется большое количество свободных радикалов, которые повреждают структуру ДНК.

Препараты платины. Платина относится к тяжелым металлам, а потому токсична для организма. Механизм действия схож с механизмом действия алкилирующих агентов. Попадая внутрь клетки препараты платины способны взаимодействовать с ДНК, нарушая ее структуру и функцию [6].

Существует также два класса веществ, которые представляют в рамках данной работы особый интерес:

Винкалкалоиды. Механизм действия основан на разрушении митотического веретена веществами, нарушающими полимеризацию тубулина. Антимитотические лекарственные средства, которые связываются с микротрубочками и ингибируют образование митотического веретена, предотвращают расхождение хромосом и таким образом должны уничтожать преимущественно быстро делящиеся раковые клетки.

Таксолы. Механизм из действия противоположен механизму действия винкалкалоидов: таксолы стабилизирует микротрубочки, останавливая их деполимеризацию.

Несмотря на достаточно хорошие результаты при лечении, оба препарата оказывают нейротоксическое воздействие на организм, поскольку микротрубочки используются не только для образования митотического веретена но и в нервных клетках, где под воздействием данных препаратов происходит нарушение образования микротрубочек, имеющих важное значение для обеспечения аксонального тока пластических элементов цитоплазмы нейронов.

.2 Принципиально новый способ нарушения клеточного деления

На основе выясненного механизма деления клетки можно предложить более щадящий способ нарушения митоза, посредством разрушения соединения хромосомы и микротрубочки. Поскольку микротрубочки и кинетохоры соединяются посредством фибрилл, можно с помощью лекарств разрушить эти соединения; поскольку они используются только в митозе, нервные клетки не пострадают. Также, если кольцевой комплекс все же существует в клетках человека, только не был обнаружен, можно увеличить силу сцепления Dam1-комплекса и микротрубочки, таким образом микротрубочки в нервных клетках будут свободно полимеризоваться и деполимеризоваться, а митоз быстро делящихся клеток будет остановлен.

Кроме того, можно предложить удалить белок Aurora B киназа, поскольку его удаление резко увеличит количество неправильных соединений, что приведет к гибели клетки. Этот способ менее безопасен, поскольку неправильное распределение может привести к злокачественным перерождениям. Также возможно усиление связи между хромосомами: увеличение жесткости эластичного элемента, тогда силы, вызываемой деполимеризацией микротрубочек, будет недостаточно для разделения хромосомы, и деление клетки будет остановлено

Заключение

В настоящее время механизм деления хромосом неплохо изучен. Известно, что основу митотического аппарата составляют микротрубочки, состоящие из димеров тубулина, способных связываться с молекулами ГТФ. Присоединившись к микротрубочке ГТФ-тубулин постепенно совершает гидролиз ГТФ до ГДФ, высвобождая энергию, которая тратится на изменение формы протофиламентов. Поскольку хромосомы присоединяются к микротрубочке посредством фибрилл, искривление протофиламентов производит силу, достаточную для перемещения хромосом: 30-60 пН на каждую микротрубочку. Причем фибриллы являются очень эффективными механизмами для сцепки хромосом и микротрубочек, поскольку почти 100% энергии деполимеризации переходит в работу по передвижению хромосом.

Правильное сцепление хромосом и микротрубочек обеспечивается особым строением центромеры: гибкой сеткой сайтов на кинетохоре, эластичным элементом между кинетохорами и белком Aurora B киназа, находящимся в середине эластичного элемента.

Изучение механизма деления клетки имеет большое значение в терапии онкологических заболеваний, позволяя создавать более совершенные лекарства с меньшим количеством побочных эффектов.

Зная механизм разделения хромосом во время митоза, можно предложить препараты, основанные на разрушении фибрилл, связывающих хромосомы и микротрубочки; также, если в клетках человека обнаружат Dam1-комплекс, можно предложить препараты, закрепляющие кольцо на микротрубочке, не позволяя ей деполимеризоваться.

Список литературы

1.   Alberts B., Johnson A., Lewis J. et all. Molecular Biology of the Cell // 5-th Edition. - Garland Science, 2008. - 1692 p.

2.      Liu D., Lampson M. A. Regulation of kinetochore-microtubule attachments by Aurora B kinase // Biochemical Society Transactions. Volume 37, part 5, 2014. - P. 976-980

.        McIntosh J. R., Volkov V., Ataullakhanov F. I., Grishchuk E. L. Tubulin depolimerization may be ancient biological motor // Journal of Cell Science, №123. - P. 3425-3434.

4.      Ганцев Ш.Х., Онкология: Учебник для студентов медицинских вузов // Медицинское информационное агентство, 2005. - 513 с.

.        Жуденков К. В. Взаимодействие кинетохоров и микротрубочек: новый механизм движения хромосом, Автореф. дис. ... канд. биол. наук, Москва, 2014.

.        И. А. Воробьев, И. С. Григорьев, Динамика и жизненный цикл микротрубочек в клетке.

.        Молодцов М. И., Грищук Е. Л., Макинтош Р., Атауллаханов Ф. И. Новый тип биомеханического движителя // Российский Химический Журнал, 2012.

.        Фаллер Д. М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки // пер. И. Б. Збарский. - Бином-Пресс, 2014. - 256 с.

.        Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию // Академкнига, 2014. - 495 с.